矿井水脱盐过程中卷式反渗透膜性能的数值模拟研究

为了更好地研究矿井水中无机盐组分对于反渗透过程产水、结垢及脱盐效果的影响,以内蒙古某煤矿矿井水水质组分作为进水水质条件,采用计算流体力学(CFD)模拟单支商用标准8寸卷式反渗透膜元件(陶氏BW30-400)内部的传质以及局部浓差极化的分布,预测实际运行情况下微溶盐结垢的风险。进水通道采用以阿基米德螺旋曲线为卷制轨迹的几何模型。无机盐的混盐作用通过混盐渗透压模型模拟。从全尺度卷式反渗透膜元件的模拟结果可以看出,卷式反渗透膜内的水流主要以轴向流速为主,沿切向阿基米德螺旋线的流速较低,对整体盐度分布的影响较小(<1%),可以忽略不计,在后续模拟中采用简化模拟单元或几何模型或网格。在模拟操作条件下,卷式膜元件的浓水网产生的水头损失占整体水头损失约86%,为卷式膜元件中的主要水头损失来源。在没有安装浓水网的进水流道中最高Na_(2)SO_(4)浓度位于元件浓水出口处,高达3594 mg/L,约为有浓水网情况下的1.8倍。而且有浓水网的进水流道内,浓差极化现象主要发生在浓水网背水侧局部区域,影响范围较小。该模型模拟得到的产水量与实测产水量做对比,误差小于5%,同时模拟结果也接近ROSA9.1模拟数据(误差<4.4%),因此可以对卷式反渗透膜的无机盐脱盐过程进行较精确的模拟仿真。与商业设计软件如ROSA(反渗透系统分析)相比,其只提供产水和浓水中的盐浓度信息,本文开发的模型可以提供浓度极化的特征信息,加深了对卷式反渗透膜在不同位置的潜在结垢风险的理解。

基于CFD模拟的某煤矿矿井水膜浓缩单元工艺优化与分析

针对高矿化度矿井水零排放过程中多级反渗透系统易结垢、易污染的问题,基于CFD模拟技术优化了某煤矿矿井水多级反渗透系统,针对两级膜浓缩单元膜元件排列组合形式提出了优化方案,分析了技术性和经济性。结果表明:优化前后多级反渗透系统膜内离子污染分布与阻垢剂用量基本保持一致;优化后的一级膜浓缩单元和二级膜浓缩单元分别减少6支膜(减少率约为5%),节省初始膜元件投入48 000元;矿井水回收率由96.5%提高到97%,吨水电力消耗升高了0.017元/m^(3),但吨水蒸发结晶费用降低了0.395元/m^(3),节省运行费用0.378元/m^(3)。